Сталеві конструкції в районах з високими вітровими навантаженнями

Розуміння механізмів вітрового навантаження на сталевих конструкціях

Тиск, присмоктування та підйомні сили у середовищі з високим вітром

Сталеві конструкції піддаються трьом основним впливам вітру: тиск, що діє на сторону, звернену назустріч вітру; сила всмоктування, що діє на протилежну сторону та дахові поверхні; а також підйомні зусилля навколо країв даху й консольних виступів. Коли повітря рухається над будівлями, його швидкість зростає, утворюючи зони негативного тиску, які в умовах сильного вітру іноді перевищують тиск на фасаді приблизно в півтора раза, що призводить до значних бічних зусиль, що діють на конструкції. Дахи особливо вразливі в цьому плані, оскільки підйомні зусилля, спричинені завихренням повітря поблизу країв, можуть досягати двадцяти–тридцяти відсотків ваги порожньої будівлі. Наприклад, металеві дахові панелі можуть відірватися навіть при швидкості вітру нижче 130 миль на годину, якщо такі параметри, як відстань між гвинтами, відстань від країв або глибина заглиблення анкерів, не відповідають мінімальним стандартам. Досягнення задовільних результатів залежить насамперед від наявності надійних систем передачі навантажень, які забезпечують плавне перенесення як вертикальних (вагових), так і горизонтальних зусиль від зовнішнього покриття через несучі балки, конструктивні каркаси й, нарешті, у ґрунт під будівлею.

Внутрішнє підвищення тиску та поперечна передача навантаження в замкнутому стальному каркасі

Коли огороджувальні конструкції будівель пошкоджуються через розбиті вікна, несправні двері або ненадійно закріплену облицювальну систему, це призводить до внутрішнього підвищення тиску, що може збільшити тиск на стіни та стелі приблизно на 40 %. Різниця між внутрішнім і зовнішнім тиском суттєво навантажує конструкцію й зменшує її стабільність. Щоб будівлі ефективно сприймали бічні навантаження, вони повинні мати інтегровані діафрагми, такі як покрівельні настили та перекриття. Ці елементи розподіляють горизонтальні навантаження на вертикальні частини конструкції — наприклад, на зв’язані каркаси, рами з жорсткими вузлами або стіни, що сприймають зсувне навантаження. Потім ці системи передають навантаження вниз до фундаменту, де їх слід надійно закріпити. Сучасні жорсткі з’єднання каркасу допомагають зменшити переміщення вузлів під час сильних штормів, зберігаючи первинну форму будівлі. Стіни зі сталевих профілів холодного формування (CFS) у поєднанні зі структурною обшивкою також забезпечують кращу стійкість до бічних навантажень. Вони здатні витримувати вітровий тиск понад 60 фунтів на квадратний фут без руйнування, що робить їх особливо цінними в висотних будівлях, розташованих у районах, схильних до ураганів, де сила вітру зростає з підвищенням висоти будівлі.

Проектування сталевих конструкцій із урахуванням будівельних норм для зон з високими вітровими навантаженнями

Дотримання чинних будівельних норм є базовим — а не факультативним — вимогами для сталевих конструкцій у регіонах із високими вітровими навантаженнями. Ці стандарти узагальнюють десятиліття даних про поведінку споруд під час штормів, досягнення матеріалознавства та результати структурних випробувань, забезпечуючи безпеку, стійкість та ефективне використання ресурсів.

Вимоги стандартів ASCE 7-16 та IBC 2024 щодо вітрових навантажень для сталевих конструкцій

Стандарт ASCE 7-16 надає авторитетну методологію розрахунку вітрових навантажень на будівлі й визначає ключові параметри, зокрема тиск вітру, коефіцієнти поривів та категорії впливу середовища. Його положення безпосередньо включено до Міжнародного будівельного кодексу (IBC 2024), що вимагає використання надійних основних систем спротиву вітровим силам (MWFRS) у сталевих конструкціях. Інженери повинні:

• Визначати розрахункові вітрові тиски за допомогою карт швидкості вітру для конкретної ділянки, висоти споруди та класифікації типу місцевості за ступенем впливу середовища;
• Проектувати всі елементи та з’єднання з урахуванням сумісного впливу підйомних, бічних та вертикальних (гравітаційних) навантажень;
• Перевірка продуктивності системи за допомогою аналізу напрямку вітру — з урахуванням кількох кутів вітрового навантаження та сценаріїв внутрішнього тиску.

Вимоги AISI S240-20 до холоднокатаної сталі у застосуваннях із високим вітровим навантаженням

Стандарт AISI S240-20 доповнює ASCE/IBC, враховуючи особливу поведінку тонкостінної холоднокатаної сталі (CFS) у каркасних конструкціях під циклічним вітровим навантаженням високої інтенсивності. Він передбачає:

• Покращене деталювання з’єднань для забезпечення неперервності шляхів передачі навантажень;
• Суворіші вимоги щодо відстаней між кріпленнями, відстаней від краю та дозволених значень несучої здатності при стисканні;
• Мінімальні товщини матеріалу та марки сталі за межею текучості, придатні для середовищ, схильних до втоми;
• Рекомендовані стратегії розпорок для вертикальних елементів стін, стропил покрівлі та елементів перекриття.

Ця узгодженість забезпечує спільну роботу компонентів із холоднокатаної сталі — які часто використовуються для кріплення облицювання, внутрішніх перегородок та вторинного каркасу — із основними конструктивними системами під час надзвичайних подій із швидкістю вітру понад 150 миль на годину.

Системи, що сприймають бічні сили, та анкерування фундаментів для сталевих конструкцій

Підпорні рами, стіни-діафрагми та інтеграція діафрагм у металевих будівлях

Системи, що сприймають поперечні зусилля (LFRS), утворюють основну конструктивну раму, яка забезпечує стійкість сталевих будівель до вітрових навантажень. Фермові системи з розкосами сприймають поперечну енергію за рахунок діагональних елементів, що працюють на осьове навантаження. Залізобетонні або сталеві стіни-діафрагми з армуванням із сталі забезпечують жорсткий опір переміщенню. У той же час, коли горищні та міжповерхові діафрагми правильно з’єднані, вони рівномірно розподіляють вітровий тиск по всій площі будівлі. Згідно з керівництвом ASCE 7-16, для будівель, розташованих у зонах з високим ризиком, системи LFRS мають бути розраховані на сприйняття вітрових навантажень понад 200 кіпів. Тут надзвичайно важлива повна інтеграція. Коли ці елементи з’єднуються між собою за допомогою зварювання, болтових з’єднань або з’єднань з контролем ковзання, загальна ефективність системи значно підвищується. Практичні випробування показують, що такі інтегровані системи можуть зменшити локалізовані зони напруження та знизити деформацію приблизно на 60 % навіть у умовах урагану IV категорії, як зазначено в останніх дослідженнях Національного інституту стандартів і технологій (NIST) 2023 року.

Системи кріплення та прив’язки, затверджені ICC, UL та FM Global

Кріплення до фундаменту є останнім, обов’язковим елементом шляху передачі вітрового навантаження — воно запобігає підйому, перекиданню та поступовому руйнуванню. Системи прив’язки, затверджені третіми сторонами та сертифіковані відповідно до стандарту ICC-ES AC398, забезпечують до 40 % більшу стійкість до підйому порівняно зі звичайними анкерами, за даними FM Global (2023). Ефективність залежить від трьох ключових чинників:

• Глибина заглиблення, скоригована з урахуванням місцевої межі міцності ґрунту на зріз та несучої здатності анкера;
• Матеріали, стійкі до корозії (наприклад, оцинковані методом занурення в розплав або з нержавіючої сталі кріпильні елементи), для прибережних та вологих умов;
• Резервні шляхи передачі навантаження для забезпечення спільного витримування вітрових і сейсмічних впливів без руйнування в одній точці.

Системи кріплення, сертифіковані FM Global, зберігають структурну цілісність при тривалих вітрах понад 150 миль/год, забезпечуючи стійку експлуатацію будівель у всьому спектрі небезпек.

Експлуатаційні характеристики зовнішньої облицювальної системи та каркасу в умовах сильного вітру

Зовнішня облицювальна система разом із її несучим каркасом виступає основним бар'єром проти штормів, а також передає навантаження в сталевих будівлях, розташованих у районах, де часто виникають урагани. Для висотних будівель облицювальна система повинна витримувати різницю тиску понад 5 кПа, одночасно запобігаючи проникненню повітря, води й тепла. Це вимагає створення з'єднань із запасом міцності в 4–6 разів більшим за звичайні розрахункові значення, оскільки матеріали з часом старіють, а монтаж не завжди виконується ідеально. Холоднодеформована сталь (CFS) або каркаси з неї продемонстрували вражаючу стійкість під час сильних вітрів. Наприклад, під час урагану «Ієн» у 2022 році багато будівель із каркасами з CFS зберегли цілісність навіть при швидкості вітру понад 150 миль на годину. Це зумовлено переважно їх високою міцністю відносно ваги та з'єднаннями, розробленими з урахуванням сейсмостійкості. Дослідження, опубліковане минулого року в журналі «Journal of Constructional Steel Research», показало, що металева облицювальна система зі стоячим швом ефективно розподіляє вітрові навантаження по конструкціях будівлі під час випробувань у реалістичних умовах, подібних до фактичного монтажу. Остаточний висновок полягає в тому, що всі елементи пов’язані між собою через те, що інженери називають «неперервним шляхом передачі навантажень»: він починається від самої облицювальної системи, проходить через каркас із холоднодеформованої сталі (CFS) та стіни жорсткості (shear walls) і закінчується способом анкерування фундаменту. Усі ці елементи мають відповідати вимогам, встановленим у стандарті ASCE 7-16 щодо підйомних сил і вимог до тиску.

ЧаП

Які основні вітрові навантаження діють на сталеві конструкції?

На сталеві конструкції діє тиск з боку, що звернений до вітру, відсмоктування з протилежного боку, а також підйомна сила вздовж країв даху та консольних виступів.

Як внутрішнє надування впливає на сталеві конструкції?

Внутрішнє надування виникає, коли порушується цілісність огороджувальних конструкцій будівлі, що призводить до збільшення тиску на стіни й стелю приблизно на 40 % і додає конструкції додаткового навантаження та нестійкості.

Що таке положення стандартів ASCE 7-16 та IBC 2024?

Вони надають методики розрахунку вітрових навантажень і визначають такі параметри, як швидкісний тиск і вплив поривів вітру; ці положення інтегровані в будівельні норми для забезпечення стійкості сталевих конструкцій.

Чому кріплення до фундаменту є критичним для сталевих конструкцій?

Кріплення до фундаменту запобігає підйому, перекиданню та обвалу за рахунок використання перевірених систем кріплення з корозійностійкими матеріалами та резервними шляхами передачі навантаження.